【文章內容簡介】 模糊控制（FPID）所謂 FPID 控制就是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機控制方法。模糊控制的突出特點在于：1. 控制系統(tǒng)的設計不要求知道被控對象的精確數學模型，只需要提供現場操作人員的經驗知識及操作數據。2. 控制系統(tǒng)的魯棒性強，適應于解決常規(guī)控制難于解決的非線形、時變及純滯后等問題。3. 以語言變量代替常規(guī)的數學變量，易于形成專家的“知識” 。4. 控制推理采用“不精確推理” 。推理過程模仿人的思維過程。但由于介入了人類的經驗，因而能夠處理復雜甚至“病態(tài)”系統(tǒng) 串級 PID 控制器 所謂串級 PID 控制就是第一級數字 PID 的輸出不直接用來控制執(zhí)行機構，而是作為下一級數字 PID 的輸入值，并與第二級的給定值進行比較，其偏差作為第二級數字 PID 的控制量。 串級 PID 控制是一種復雜控制系統(tǒng)，本課題的串級 PID 控制器是由兩個 PID 串聯連接組成，一個控制器的輸出作為另一個控制器的設定值，每一個回路中都有一個屬于自己的調節(jié)器和控制對象。主回路中的調節(jié)器稱為主調節(jié)器，作為系統(tǒng)的主被控變量，又稱主對象；副回路中的調節(jié)器稱副調節(jié)器，控制對象為副被控變量，又稱副對象，它的輸出是一個輔助的控制變量。串級控制回路系統(tǒng)增加了一個副回路，使性能得到改善，表現在以下幾個方面：1. 能迅速克服進入副回路擾動的影響。定性分析：當擾動進入副回路后，首先，副被控變量檢測到擾動的影響，并通過副回路的定值作用及時調節(jié)操縱變量，使副被控變量回復到副設定值，從而使擾動對主被控變量的影響減少。即副環(huán)回復對擾動進行粗調，主環(huán)回路對擾動進行細調。因此，串級控制系統(tǒng)能夠迅速克服進入副環(huán)擾動的影響，并使系統(tǒng)余差大大減小。2. 串級控制系統(tǒng)可以串級控制、主控和副控等多種控制方式，主控方式是切除副回路，以主被控變量作為被控變量的單回路控制；副控方式是切除主回路，以副被控變量作為被控變量的單回路控制。因此，在串級控制系運行過程中，如果某些部件發(fā)生故障．可靈活地進行切換；減少對生產過程的影響 串級 PID 的選擇在以上幾種算法中，由于 PID 控制具有結構簡單、容易實現、控制效果好等特點，且 PID 算法原理簡明，參數物理意義明確，理論分析體系完整。雖然在精度高方面不如 FPID。但是由于本課題本身對 PID 控制精度要求也不高，再加上目前 FPID系列也不是很成熟。因此本課題選用串級 PID 控制器。串級的 PID 系統(tǒng)由主回路和副回路組成，它是改善和提高控制品質的一種極為有效的控制方案，與單回路反饋控制系統(tǒng)比較，由于在系統(tǒng)結構上多了一個副回路，所以改善了過程的動態(tài)特性、提高了系統(tǒng)工作頻率、具有較強的抗擾動能力和一定的自適應能力。正確合理地設計一個串級控制系統(tǒng)是要其能充分發(fā)揮如上所述系統(tǒng)的各種特點。故在本設計中，擬選用串級 PID 控制器。 液位系統(tǒng)CC水泵儲水箱手動伐下水箱上水箱手動伐液位傳感器P I D 1P I D 2液位傳感器L T 1L T 2電動調節(jié)閥 液位系統(tǒng)的結構組成圖此系統(tǒng)由控制器、電動調節(jié)閥、水泵、上水箱、下水箱、儲水箱和液位變送器模塊等組成。電動調節(jié)閥用于調節(jié)上水箱的進水量的大小，液位變送器用于檢測上水箱和下水箱中的液位?？刂破鞯妮敵隽坑糜诳刂齐妱诱{節(jié)閥的開度。通過對傳感器測量的數據采集，由控制器對采集到的數據進行處理，運算結果通過數據采集，經通訊接口，傳遞給計算機，由計算機去控制磁力泵，從而達到控制水箱液位控制的作用。此外要求在有干擾的情況下能快速地回到系統(tǒng)所給定要求的液位狀態(tài)。其中水箱的液位變化范圍內為 h=0~200 mm,，通過設計的串級 PID 控制器后能使需要的液位值能實現穩(wěn)、準、快地穩(wěn)定在系統(tǒng)所給定的液位值上。當系統(tǒng)發(fā)生擾動時能在控制器的作用下迅速恢復到系統(tǒng)原來所要求的液位值。 控制系統(tǒng)建模由于在仿真的過程中需要用到被控對象的數學模型，所以本節(jié)來建立水箱的模型。液位控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構是通過電動調節(jié)閥的開度大小來控制水箱的液位。本文采用開環(huán)階躍響應辯識的方法來獲得它的數學模型。下面介紹其具體的方法。 水箱液位的動態(tài)數學模型水箱液位的動態(tài)數學模型，如圖 所示。 H 1 H 2Q iμQ o 1Q o 2調節(jié)閥負載閥μ 1負載閥 1圖 水箱液位的動態(tài)數學模型水箱結構如圖 ，先看水箱 1，水不斷流入水箱內，同時也有水不斷由水箱中流出。水的流入量 Qi 由電動調節(jié)閥的開度 μ 加以控制，流出量 Qo1 由用戶根據需要通過負載閥 R 來改變。被控量為液位高度 H1 它反映水的流入和流出量之間的平衡關系。顯然任何時候水位的變化均滿足下述物料平衡方程 （211iodHQAt??7）其中 （2iK?8）設液體是不可壓縮的，通過閥的液流是湍流，則其流量公式為： （2????11oQtkHt?9）其中 A1為水箱的橫截面積，μ 為調節(jié)的開度,K 181。是取決于電動調節(jié)閥的閥門特性的系數，可以假定它是常數；k1 是與負載閥門開度有關的系數，在負載閥門開度固定不變的情況下，k1 看作是一個常數。將式()表示成增量形式為 （2????111iodHQAt10）式中，?Qi、 ?Qo?H 1分別為偏離某一平衡狀態(tài) Qi0、Q OH 01的增量，H 1為上水箱液位高度。非線性項 展開成泰勒級數為：??1t??01101 01HdH????? ??012 201!Hd?略去高于一次小增量 的項，有：??????? （201101 01012HHdH? ???????11）則式 29 可得： （2?? ??01101 01012iidHkHQtAA???????????????12）由于 ，??010111dddHtttt????在穩(wěn)定工作狀態(tài)時流入水箱的流量與流出水箱的流量是相等的，即： 01001ioQkH所以由 211 式可得： （21012idHkQtA??????A13）而 iQK??所以 （21012KdHktA????????A14）在實際使用中，為簡單計算，常略去增量符號，即： （2??????1 1012KdHtkHttAA???15）可以看出，此式是最常見的一階微分方程，將其變?yōu)閭鬟f函數為（216）式中， ， 。012HKk????????0112HTAk???????從傳遞函數可以看出，單水箱對象為一階慣性環(huán)節(jié)。它為有自平衡性的對象，即當原有的物料平衡被打破時隨著被控變量液位的變化，其不平衡量會越來越小，最后能自動地穩(wěn)定在新的平衡點上?，F在再看下水箱。從圖 24 可得出下水箱的物料平衡方程： （2221212oodHAQkHt??????17）式中 A2 為下水箱的底面積，H2 為下水箱的液位高度，k2 為負載閥 1 流量特性參數； ， ， 分別為偏離某一平衡狀態(tài) Q0Q 0H 02的增量，H 2為下1o?2o水箱液位高度。??HsTs???由式 211 簡得： 02202 02021HdHH? ??????????所以式 217 寫成：?? ??022202 1012021oodk QtAA?? ????????? ?? ? （218）當系統(tǒng)穩(wěn)定時又有： 202220ooQkH?且 11ok???所以由 218 式可得： （22 102dHktA???????A19）在實際使用中，為簡單計算，常略去增量符號，即： ??????212021dHtkkHttAA???從傳遞函數可以看出，上下水箱的對象均為一階慣性環(huán)節(jié)。它能自動平衡性，即當原有的物料平衡被打破時隨著被控制量液位的變化，在通過改變 MATLAB 算法軟件的程序下的參數 e(t) （控制器輸入信號） 、u(t) （控制器輸出信號） 、K p（控制器放大系數） 、T i（控制器積分時間常數） 、T d（控制器微分時間常數） ；其會減小不平衡量，最后自動地穩(wěn)定在新的平衡位置點上。到達系統(tǒng)設計要求的效果。 液位系統(tǒng)的硬件選型本課題中的有關液位系統(tǒng)部分直接采用了現有教學儀器。該液位系統(tǒng)的硬件型號如下表圖 所示。表 硬件型號選擇表??0220222dHddtttt????硬件名稱 型號 說明電機 JW5652 功率：180W，轉速：2800rpm水泵 16CQ8 轉速：2800rpm，功率：，流量：30L/min壓力傳感器 LS2188G2KG214C1A 電壓：24VDC，輸出信號：5V電動調節(jié)閥 JLQ941F 輸入信號：420mA 或者 15VDC第三章 軟件設計 MATLAB 軟件MATLAB 是由美國 MathWorks 公司推出的用于數值計算和圖形處理計算系統(tǒng)環(huán)境，除了具備卓越的數值計算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號計算，文字處理，可視化建模仿真和實時控制等功能。MATLAB 的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學，工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 來解算問題要比用 C，FORTRAN等語言簡捷得多。MATLAB 是國際公認的優(yōu)秀數學應用軟件之一。MATLAB 具有強大、豐富的內置函數，以及高度靈活的可編程性，特別適合數據處理以及結果的圖形化顯示